Измерительные цепи. Некоторые аспекты применения датчиков в счетчиках электроэнергии
АКИП-7501 включает в себя смонтированные в одном корпусе набор образцовых катушек сопротивлений (токовые шунты) для постоянного и переменного тока (40-400 Гц), а также цифровой вольтметр для измерения падения напряжения на катушках (индикация 4 разряда) с автоматическим пересчетом результата измерения в единицы силы тока, протекающего через катушки. Погрешность сопротивления встроенных образцовых мер на постоянном токе составляет 0,01, на переменном – 0,1. Для обеспечения прецизионных измерений имеется вход для подключения внешнего вольтметра.
Технические характеристики АКИП-7501
- Диапазон измеряемых токов 1 мкА – 250 А
- Токовые шунты для постоянного и переменного(40 – 400 Гц) тока
- Погрешность 0,01 - лабораторный стандарт тока
- Встроенный цифровой измеритель тока 4,5 разряда
- Выход для внешнего измерителя
Рабочий эталон АКИП-7501
АКИП-7501 является рабочим эталоном сопротивления постоянному току и предназначен для поверки и калибровки мили- и микроомметров, а также измерения силы постоянного и переменного тока, протекающего через сопротивление, с помощью встроенного измерителя. Номинальные значения сопротивлений: 0,001 Ом, 0,01 Ом, 0,1 Ом, 1 и 10 Ом. Диапазон измеряемых токов от 1 мкА до 250 А.
АКИП-7501 включает в себя смонтированные в одном корпусе набор образцовых катушек сопротивлений (токовые шунты) для постоянного и переменного тока (40-400 Гц), а также цифровой вольтметр для измерения падения напряжения на катушках (индикация 4 ½ разряда) с автоматическим пересчетом результата измерения в единицы силы тока, протекающего через катушки. Погрешность сопротивления встроенных образцовых мер на постоянном токе составляет 0,01%, на переменном – 0,1%. Для обеспечения прецизионных измерений имеется вход для подключения внешнего вольтметра.
Прибор питается от сети 115 / 230 В, 50 / 60 Гц. Для безопасной работы и защиты от перегрева предусмотрен встроенный вентилятор охлаждения. В комплект прибора входят кабель питания и 2 токовых штепселя. Масса прибора 7 кг, геометрические размеры: 420 × 88 × 325 мм.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Шунты. Простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение является шунт, который представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима,к которым подводится ток I ,называются токовыми, а два выходных зажима с которых снимается напряжениеU ,называются потенциальными (Рис.1). К потенциальным зажимам подключается измерительный механизм ИМ. Параметрами, характеризующими шунт, являются номинальное значение входного тока I и номинальное значение выходного напряжения U . Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта R Ш,НОМ =U НОМ /I НОМ. Шунт также можно
Рис. 1 Шунт
рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления (шунтирования)
n= I /I 0 = (R ш.ном + R 0)/R ш,ном
где Iо - ток в измерительном механизме; R 0 - сопротивление измерительного механизма, поэтому шунты применяются для расширения пределов измерения механизмов по току. При этом большая часть измеряемого тока проходит через шунт, а меньшая - через измерительный механизм. Шунты имеют малое сопротивление и применяются главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Применять шунты с измерительными механизмами других систем нерационально, так как эти измерительные механизмы потребляют большую мощность, что приводит к существенному увеличению сопротивления шунтов и, следовательно, кувеличению их габаритов и потребляемой мощности.
При применении шунтов с измерительными механизмами на переменном токе возникает дополнительная частотная погрешность вследствие разных зависимостей сопротивлений шунта и измерительного механизма от частоты.
Если необходимо расширить предел измерения в n раз, т. е. чтобы ток Iо был в n раз меньше тока I, то сопротивление шунта должно быть равно
R ш = Rо/(n-1)-
Шунты изготовляют из манганина. В соответствии с ГОСТ 8042-78 шунты разделяют на- типы: ШС - шунт взаимозаменяемый стационарный; ШП - шунт взаимозаменяемый переносный. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора. Для измерения больших токов (до 6000 А) используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.
Наружные шунты имеют массивные Т-образные наконечники из красной меди, Наконечники служат для отвода теплоты от манганиновых пластин, которые впаяны между ними. Ток подводится к наконечникам с помощью массивных болтов - токовых зажимов. Потенциальные зажимы выполняются в виде двух болтов меньшего размера, расположенных на медных наконечниках. Сопротивление шунта, заключенное между потенциальными зажимами, подгоняется с помощью поперечных пропилов в манганиновых пластинах. Такое устройство шунта устраняет погрешности от контактных сопротивлений.
Рис. 2. Схемы многопредельных шунтов с рычажным переключателем (а), с отдельными выводами (б)
Шунты делаются взаимозаменяемыми, т. е. они рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. В соответствии с ГОСТ шунты должны иметь номинальное падение напряжения на потенциальных зажимах: 10, !5, 30, 50, 60, 75, 300 мВ.
В переносных магнитоэлектрических приборах на токи до 30А применяются шунты, изготовленные на несколько пределов измерения I 1 ном, I 2 ном, I 3 ном. На рис. 2 изображены схемы многопредельных шунтов. Такой шунт состоит из нескольких резисторов, переключаемых в зависимости от предела измерения рычажным переключателем (рис. 2, а) или переносом провода с одного зажима на другой (рис. 2, б), т. е. с отдельными зажимами.
По точности шунты разделяются на классы точности: 0,05, 0,1; 0,2; 0,5 - стационарные; 0,02; 0,05; 0,2 - переносные. Число класса точности обозначает допустимое отклонение сопротивления в процентах его номинального значения.
Добавочные резисторы . Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток. Поэтому добавочный резистор, включенный последовательно с измерительным механизмом, вращающий момент которого зависит от тока, может служить для расширения пределов измерения по напряжению аналоговых вольтметров различных систем (кроме электростатической и электронной). Добавочные резисторы, называемые по ГОСТ 8023-78 добавочными сопротивлениями, также служат для расширения пределов измерения по напряжению других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.
Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом ИМ (рис. 3.). Ток в цепи измерительного механизма I 0) имеющего сопротивление R o и включенного последовательно с добавочным резистором Rд, равен:
I 0 = U/(R 0 + Rд). где U - измеряемое
напряжение-
75мВ U 1ном U 2ном U 3ном
Рис.3 Рис.4
Если при помощи добавочного резистора R д надо расширить в m раз предел измерения вольтметра, имеющего номинальный предел измерения U ном и сопротивление R 0 , то, предполагая постоянство тока вольтметра Iо, можно записать: U ном /R 0 = mU ном /(R 0 +R д), тогда R д =R 0 (m-1)
Изготовляются добавочные резисторы, как правило, из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала. Применяются также добавочные резисторы из литого микропровода в стеклянной изоляции. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную намотку для получения безреактивного сопротивления.
Наряду с расширением пределов измерения вольтметров добавочные резисторы уменьшают их температурную погрешность. Если принять, что обмотка измерительного механизма имеет температурный коэффициент сопротивления о. а добавочный резистор - температурный коэффициент д, то температурный коэффициент всего вольтметра (Рис. 3) составит:
Обычно д «0. Тогда
= 0 R 0 (R 0 + R д)
В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на несколько пределов измерения U 1ном, U 2ном, U 3ном (рис. 4).,
Добавочные резисторы бывают внутренние, встраиваемые в корпус прибора, и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и в соответствии с ГОСТ 8023-78 подразделяются на щитовые и переносные взаимозаменяемые и ограниченно взаимозаменяемые. Взаимозаменяемый добавочный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.
Добавочные резисторы, так же как и шунты, делятся на классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Класс точности определяется по относительной погрешности, %, равной
=±(/R ном)100%,
где - абсолютная погрешность; R ном - номинальное сопротивление добавочного резистора. Добавочные резисторы изготовляют на номинальные токи от 0,01 до 60 мА. Добавочные резисторы используются для преобразования напряжений до 30 кВ.
Измерительные трансформаторы тока и напряжен ия
Измерения больших переменных напряжений и токов обычными аналоговыми электромеханическими приборами становится возможным при включении их в цепь через измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения. Использование делителей напряжения и шунтов для этих целей нецелесообразно я даже опасно для обслуживающего персонала.
Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных обмоток, помещенных на ферромагнитный сердечник.
Принцип действия ИТ совпадает с принципом действия обычных трансформаторов. Во вторичную цепь трансформаторов тока включаются амперметры, последовательные обмотки счетчиков ваттметров, цепи релейной защиты и управления; к вторичной обмотке трансформаторов напряжения подключаются вольтметры, параллельные цепи ваттметров, счетчиков и других приборов.
Стационарные измерительные трансформаторы переменного тока имеют следующие эксплуатационные характеристики: частота 50 Гц; номинальное напряжение U 1ном трансформаторов напряжения - от 0,38 до 750 кВ, вторичное напряжение U 2ном -
150;
100; 100/
3
В; классы точности трансформаторов
напряжения - 0,05; 0,01 ;0,2; 0, 5; 1,0; 3,0; номинальный
первичный токI 1ном
трансформаторов тока - 1 А... 40 кА,
номинальный вторичный ток I 2ном
- 1; 2; 2,5; 5 А; номинальная нагрузка
вторичной цепи - 2,5; 5; 10; 25; 30; 40; 60; 75; 100
Вт; классы точности трансформаторов
тока - 0,2; 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10,0.
Измерительные трансформаторы переменного тока. Для удобства и безопасности измерения тока установок высокого напряжения ток вторичной цепи с помощью трансформатора тока изменяется до стандартного значения 5А или 1А.
Измерительные приборы и реле выполняются на эти токи и включаются в цепь вторичной обмотки трансформатора тока (контакты И1, И2), один вывод которой обязательно заземляется (И1).
В случае повреждения трансформатора приборы и реле остаются под потенциалом земли. Отличительной особенностью режима работы трансформатора тока является то, что первичный ток не зависит от режима работы его вторичной цепи и остается неизменным при замыкании накоротко или размыкании вторичной цепи. Это связано с тем, что ток в первичной обмотке определяется сопротивлением нагрузки Z 2 которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z 2 . Поэтому предохранитель во вторичной цепи не ставится, так как разрыв этой цепи является аварийным режимом для трансформатора тока. Контакты первичной цепи ИТТ (Л1, Л2). Основными параметрами трансформаторов тока являются: номинальное напряжение - линейное напряжение системы, в которой трансформатор тока должен работать. Это напряжение определяет сопротивление изоляции между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной, один конец которой заземлен;
номинальный первичный и вторичный токи - токи, на которые расчитан трансформатор. Трансформаторы тока обычно имеют запaс по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения; номинальный коэффициент трансформации - отношение номинального первичного тока I 1ном к номинальному вторичному току I 2ном
На практике действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие потерь в трансформаторе. Различают погрешности: токовую, угловую и полную; токовая погрешность, %, определяемая выражением
I 2 - вторичный ток; I 1 - первичный ток.
В реальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на угол, отличный от 180°. Для отсчета этой погрешности вектор вторичного тока поворачивают на 180°. Угол между этим вектором и вектором первичного тока называют угловой погрешностью. Если перевернутый вектор вторичного тока опережает первичный ток, то погрешность положительная, если отстает, то погрешность отрицательная. Погрешность по углу измеряется в минутах.
Класс точности говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальных условиях Z 2 = Z 2 h .
Наряду с токовой и угловой погрешностью вводится понятие пол ной погрешности, %, характеризующей относительный намагничивающий ток
где I 1 - действующее значение первичного тока; i 2 - мгновенном значение вторичного тока; i 1 , - мгновенное значение первичного тока; Т - период частоты переменного тока (0,02 с);
- сопротивление нагрузки Ом, при котором трансформатор работает в своем классе точности при cos 2н = 0,8 Иногда применяется понятие номинальной мощностиР 2ном = I 2ном Z 2ном
Поскольку ток I 2ном стандартизован, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора;
номинальная предельная кратность - кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой погрешность по току достигает 10%. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными;
максимальная кратность вторичного тока - отношение наибольшего значения вторичного тока к его номинальному при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.
Трансформаторы тока обтекаются током короткого замыкания, и его обмотки подвергаются воздействию больших токов;
динамическая стойкость {кратность) - отношение допустимого ударного тока к амплитуде номинального первичного тока;
термическая стойкость {кратность) - отношение допустимого в течение 1с тока короткого замыкания к номинальному значению первичного тока.
Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.
Режим работы трансформатора тока является, по существу, режимом короткого замыкания.
Трансформатор тока не должен давать больших погрешностей при номинальном токе и коротком замыкании.
Для того чтобы трансформатор удовлетворял определенному классу точности, погрешность должна находиться в допустимых пределах. Класс точности трансформатора определяется его погрешностью в процентах при первичном токе (100... 120)I 1ном.
В зависимости от числа витков первичной обмотки различают одновитковые и многовитковые трансформаторы тока.
В одновитковом трансформаторе первичная обмотка может быть выполнена в виде стержня или пакета шин. Примером такого исполнения
Рис.6. Одновитковый трансформатор тока ТПОЛ-10, U ном = 10 кВ: 1- магнитопроводы; 2 - вторичная обмотка; 3 - крепежное кольцо; 4 - стержень
является трансформатор ТПОЛ-10 с литой изоляцией, представленный на рис. 6
Этот трансформатор используется как проходной изолятор при переходе из одного помещения в другое.
Применение литой эпоксидной изоляции позволяет сильно упростить конструкцию и технологию производства. Первичная обмотка - стержень 4, магнитопроводы 1 и крепежное кольцо 3 располагаются в специальной форме, после чего туда заливается жидкая масса из эпоксидной смолы, пылевидного кварцевого песка отвердителя. После затвердения и полимеризации изоляционный материал приобретает высокие электрические и механические свойства. Магнитопровод 1 трансформатора, выполненный в виде тора, изготовляется из ленты, свернутой по спирали. На тор навивается вторичная обмотка 2. Применение тороидального сердечника позволяет полностью использовать высокие свойства текстурованного материала, например стали марки Э310. Если вторичная обмотка равномерно расположена на магнитопроводе, индуктивное сопротивление вторичной обмотки равно нулю, что позволяет повысить точность трансформатора тока. Конструкция позволяет легко установить несколько магнитопроводов, каждый из которых имеет различные параметры. Главным достоинством одновиткового исполнения является его высокая электродинамическая стойкость, так как на первичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз.
При выборе трансформатора тока необходимо учитывать, что его реальной нагрузкой являются не только обмотки приборов и но и сопротивления соединительных проводов.
Измерительные трансформаторы напряжения. Они служат для
преобразования
высокого напряжения в низкое напряжение
стандартной величины, удобное для
измерения. Обычно за номинальное
вторичное напряжение принято 100 В или
100
В. Это позволяет
для измерения любого напряжения применять
одни и те же
стандартные
измерительные приборы. Реле защиты,
реагирующие на
напряжение, также изготовляются на
стандартное напряжение независимо
от напряжения установки.
Первичная обмотка трансформатора изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки обязательно заземляется. Таким образом, трансформатор напряжения изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.
Схема включения однофазного трансформатора напряжения дана на рис. 7. Первичная обмотка 1 присоединена к цепи высокого напряжения через предохранители 3. Вторичная обмотка 2 питает нагрузку в виде обмоток измерительных приборов или реле защиты через предохранители 4. В трансформаторах напряжения нормальной конструкции заземляются и вторичная обмотка 2, и сердечник 5.
Предохранители 4 служат для защиты трансформатора напряжения от коротких замыканий в цепи вторичной нагрузки. Предохранители 3, установленные на высоковольтной стороне, служат для защиты сети от короткого замыкания в трансформаторе. Для облегчения отключения желательна установка токоограничивающих предохранителей типа ПКТ или стреляющих, с ограничивающим сопротивлением.
Вследствие высокого сопротивления самого трансформатора при возникновении короткого замыкания во вторичной цепи ток в первичной цепи мал (порядка нескольких ампер) и его величина недостаточна для срабатывания предохранителей 3.
трансформатора напряжения: 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3, 4 - предохранители; 5 - сердечник ■
Основными параметрами трансформатора напряжения являются:
номинальное напряжение обмоток - напряжение на первичной и вторичной обмотках, указанное на щитке трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора равно номинальному напряжению первичной обмотки;
номинальный коэффициент трансформации - отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному напряжению:
погрешность по напряжению, %, которая определяется уравнением:
где U 1 - напряжение, поданное на первичную обмотку; U 2 - напряжение, измеренное на зажимах вторичной обмотки.
Если U 1 / U 2 = k ном то погрешность всегда будет равна нулю.
За угловую погрешность принимается угол в минутах между первичным напряжением и повернутым на 180° вторичным. Если вторичное напряжение U 2 опережает первичное напряжение U 1 погрешность по углу считается положительной. Допустимая погрешность трансформатора по напряжению в процентах при номинальных условиях численно равна классу точности.
Погрешности трансформатора не должны превышать табличные данные при колебании первичного напряжения в пределах 90... 110% и при колебании мощности на вторичных зажимах в пределах 25... 100 % от номинальных значений;
а вторичная мощность Р 2 соответственно:
При уменьшении сопротивления Z 2 мощность, отдаваемая трансформатором напряжения, увеличивается и соответственно увеличивается погрешность;
номинальная мощность трансформатора - наибольшая мощность (при номинальном коэффициенте мощности, равном 0,8), которая может быть снята с трансформатора при условии, что его погрешность не выйдет за пределы, определенные классом точности.
Для того чтобы уменьшить погрешность по напряжению, снижают активное и реактивное сопротивления обмоток. Для получения малого активного сопротивления берутся малые плотности токов в обмотках (около 0,3 А/мм 2), благодаря чему эти трансформаторы слабо нагружены в тепловом отношении. Для снижения индуктивного сопротивления обмоток уменьшают расстояние между первичной и вторичной обмотками.
Компенсацию погрешности по напряжению легко получить путем уменьшения числа витков первичной обмотки. Если уменьшить число витков первичной обмотки, то коэффициент трансформации становится меньше номинального и вторичное напряжение возрастает. При этом вводится положительная погрешность, которая компенсирует отрицательную. Обычно вводится такая коррекция, чтобы при холостом ходе трансформатор имел максимально допустимую для данного класса точности положительную погрешность.
На погрешность трансформатора влияет коэффициент мощности нагрузки cos 2 и с его уменьшением погрешность увеличивается. Причем характер нагрузки оказывает большее влияние на угловую погрешность, чем на погрешность по напряжению.
На угловую погрешность витковая поправка не влияет. Угловую погрешность в трехфазных трансформаторах напряжения можно компенсировать. В этом случае необходимая компенсация достигается путем применения специальных компенсирующих обмоток. При активной нагрузке вносится положительная поправка. При индуктивной нагрузке применяется другая схема соединений, которая дает отрицательную поправку.
При напряжении до 35 кВ конструкция трансформаторов напряжения сходна с конструкцией силовых трансформаторов.
Индукция в сердечниках значительно меньше, чем у силовых трансформаторов. Это снижает погрешность, позволяет в некоторых случаях проводить испытания индуцированным напряжением.
Для испытания трансформатора на выводы вторичной обмотки подается удвоенное напряжение частотой 50 Гц. На первичной обмотке появляется также удвоенное напряжение. Индукция не должна превышать индукцию насыщения.
При эксплуатации возможны случаи, когда первичная обмотка, рассчитанная на работу при фазном напряжении, попадает под линейное напряжение вместо фазного. При этом сердечник не должен насыщаться.
На напряжение до 35 кВ выпускаются однофазные трансформаторы, у которых либо оба вывода обмотки высокого напряжения изолированы от корпуса (рис. 8, а), либо изолирован только один, а второй вывод заземлен.
Применение в качестве изоляции пластмасс и отказ от масляной изоляции позволяет сократить массу и габаритные размеры трансформаторов, упрощается их эксплуатация, делается ненужным уход за маслом. Трансформаторы с литой изоляцией пожаробезопасны, удобны для эксплуатации в различных передвижных установках.
Рис. 8. Внешний вид однофазных трансформаторов напряжения с масляной изоляцией (а) и литой изоляцией (б)
На рис. 8,б представлен трансформатор напряжения с литой изоляцией типа НОК-6 на те же параметры, что и масляный. Отечественная промышленность выпускает трансформаторы с литой изоляцией на напряжение до 35 кВ.
Габаритные размеры трансформаторов в значительной степени определяются изоляцией аппарата. В связи с этим там, где это возможно, трансформатор выполняется для измерения напряжения между фазой и землей. В этом случае отпадает необходимость в изоляции второго вывода первичной обмотки, который заземляется, линейное напряжение получается путем соединения в звезду вторичных обмоток таких трансформаторов. При этом, однако, погрешность измерения возрастает, так как суммируются погрешности двух трансформаторов. Такая конструкция позволяет уменьшить габаритные размеры и удешевить трансформатор напряжения.
Рис. 9. Схемы включения трансформаторов напряжения в трехфазных сетях с использованием двух (а) и трех (б) однофазных трансформаторов.
Возможные схемы включения однофазных трансформаторов нормального исполнения в трехфазных сетях показаны на рис. 9.
В случае, представленном на рис. 9, а, применяются два однофазных трансформатора, у которых первичная обмотка имеет изолированные выводы. Эта схема называется схемой открытого треугольника. Такая схема очень удобна для измерения мощности и энергии. В этой схеме к каждому из трансформаторов может подключаться нагрузка вплоть до номинальной.
Схема позволяет получить и напряжение U AC = -(U AB + U BC ) (приборы подключаются между точками а и с). Однако такое включение нагрузки не рекомендуется, так как создаются дополнительные погрешности за счет тока приборов, проходящего через обе вторичные обмотки.
При
включении по схеме, представленной на
рис. 9,б,
могут
применяться
трансформаторы, у которых один из выводов
первичной
обмотки заземлен. Каждая из обмоток
подключена к фазному
напряжению, поэтому номинальное
напряжение трансформатора
должно равняться U ф /.
Вторичная нагрузка подключается
по схеме звезды или треугольника.
Номинальное напряжение вторичной
обмотки равно 100/
Для контроля изоляции и питания защиты, срабатывающей при коротком замыкании на землю, трансформаторы имеют дополнительные обмотки, которые включаются по схеме разомкнутого треугольника. При симметричном режиме сумма ЭДС, наводимых в этих обмотках, равна нулю. Если один из проводов заземляется, то равновесие ЭДС нарушается и напряжение на концах разомкнутого треугольника подается на реле или сигнализацию.
Возможны
два режима работы схемы, представленной
на рис.9,
б.
Если
нейтраль сети изолирована или заземлена
через дугогасящую
катушку, то заземление одной из фаз,
например фазы С,
не ведет к короткому замыканию. Установка
может оставаться длительное время в
работе. При этом напряжение на
трансформаторе
С
падает
до нуля, а напряжение на трансформаторах
А
я
В
увеличивается
до линейного. В связи с этим индукция в
сердечниках
трансформаторов А
и
В
увеличивается
в
раз. Во избежаниеувеличения
нагрева сердечников и резкого возрастания
погрешности
этих трансформаторов сердечники не
должны насыщаться
при таком увеличении индукции.
Cтраница 1
Наружные шунты изготовляют как индивидуальными для работы только с тем прибором, для которого шунт изготовлен, так и калиброванными для работы с любым измерительным прибором, ток которого мал но сравнению с током шунта и падение напряжения в котором равно падению напряжения на шунте.
Наружные шунты выполняются в виде отдельной детали и соединяются с прибором специальными проводами. Индивидуальный шунт должен применяться только с тем прибором, который градуировался с данным шунтом.
Наружные шунты к амперметрам должны приключаться калиброванными по сопротивлению проводниками, комплектуемыми вместе с прибором заводом-изготовителем.
Наружные шунты подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальные шунты применяются только для тех приборов, с которыми они непосредственно градуируются. В практике последних лет приборы с индивидуальными шунтами не изготовляются, так как подгонка шунтов при массовом выпуске приборов является затруднительной.
К приборам придаются наружные шунты и отдельное добавочное сопротивление.
Измерительные приборы и наружные шунты взаимозаменяемы в пределах своего типа.
В отдельной главе описаны наружные шунты и добавочные сопротивления, являющиеся неотъемлемыми принадлежностями магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.
Любой инженер, при конструировании электронного счетчика электроэнергии, сталкивается с необходимостью выбора первичных преобразователей. Если на микросхемы, применяемые в качестве измерительных, есть достаточно подробные описания, то для датчиков тока ощущается серьезный информационный голод. Данная статья содержит минимум формул, но предназначена для понимания принципа работы различных датчиков, их достоинств и недостатков, проведения расчетов и выбора элементов измерительных цепей.
Наиболее простыми датчиками напряжения и тока являются прецизионные резистивные датчики. Соответственно - делитель напряжения для измерения текущего напряжения и токовый шунт для измерения текущего тока.
Делитель напряжения рассчитывают таким образом, чтобы напряжение на его выходе составляло величину, рекомендованную для конкретной м.с. счетчика и не превосходило при крайнем значении входного напряжения максимально допустимое измеряемое напряжение (обычно +-400мВ или +-500мВ). Делитель включается между двумя проводами контролируемой цепи (ноль и фаза). Эффективное значение соответственно = 400мВ/1.732=231мВ.
Токовый шунт
Трансформаторные датчики тока (измерительные трансформаторы тока)
Трансформаторные датчики тока дороже резистивных, но обладают рядом существенных преимуществ:
 |
2. Измерительные трансформаторы тока обеспечивают гальваническую развязку между обмотками, поэтому измерительная схема не находится под высоким потенциалом как при использовании шунта и ее можно легко экранировать.
3. Параметры трансформатора тока практически не изменяются во времени и не зависят от температуры.
4. Коэффициент трансформации легко выдерживается при производстве и остается всегда постоянным.
5. Трансформаторы тока прекрасно гасят импульсные помехи в измерительной цепи без применения дополнительных фильтров
6. Обеспечивают минимальный фазовый сдвиг между цепями измерения напряжения и тока, т.к. фильтрация измерительного сигнала производится за счет собственной индуктивности трансформатора.
7. Простота измерения 3-х фазных токовых сигналов за счет гальванической развязки токовых проводов и измерительной части.
В качестве датчиков тока (измерительных трансформаторов тока) обычно используются трансформаторные датчики двух типов:
1. Трансформатор нагруженный на прецизионный резистор - трансформатор тока. Обычно с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов. Выходное напряжение, снимаемое с резистора, пропорционально току первичной обмотки;
2. Дифференцирующий трансформатор di/dt, работающий в режиме ударного возбуждения. Обычно без магнитопровода (воздушный). Выходное напряжение трансформатора пропорционально скорости изменения тока первичной обмотки.
Применение трансформаторного датчика тока в счетчиках электроэнергии может сочетаться с применением резистивного датчика напряжения или трансформатора напряжения. Обычно применяют резистивный делитель как наиболее дешевый.
Измерительный трансформатор тока с нагрузочным резистором
 |
Безопасность вторичных цепей при больших входных токах обеспечивается за счет вхождения сердечника в насыщение. Однако, если вторичную цепь трансформатора тока разомкнуть (аварийный режим), то исчезновение вторичного тока и созданного им магнитного потока приведет к значительному росту суммарного магнитного потока и соответственно увеличению ЭДС во вторичной обмотке до огромных значений, что может вызвать пробой изоляции. Кроме того, при большом магнитном потоке резко увеличиваются потери в сердечнике, что вызывает его разогрев.
Погрешности трансформаторного датчика тока складываются из токовой погрешности (погрешность действительного коэффициента трансформации) и угловой погрешности (разность фаз между токами первичной и вторичной цепи). Погрешности определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью магнитопровода и ненулевым значением сопротивления нагрузки. Вместе с тем погрешность трансформатора тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т.е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка (идеал - к.з. вторичной обмотки). Важно учитывать, что магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля, и практически постоянна только в области слабых полей. Поскольку трансформаторы работают в слабых результирующих полях, то для них необходимо использование материала с высокой начальной магнитной проницаемостью.
В качестве сердечников трансформаторных датчиков тока используются нанокристаллические или аморфные сплавы.
 |  |
Одним из недостатков трансформаторов тока является намагничивание сердечника постоянной составляющей тока, возникающей в контролируемой электрической цепи из-за асимметрии потребления нагрузки (например однополупериодный выпрямитель) в разных полуволнах. Нивелировать данный недостаток можно правильным выбором габаритов или материала магнитопровода трансформаторов тока. Постоянный магнитный поток, обусловленный разностью токов в первичной обмотке в разные полуволны, не компенсируется. В результате, в сердечнике трансформатора тока на переменный магнитный поток накладывается постоянный поток, который приводит к смещению реальной кривой намагничивания сердечника в область больших полей при той же потребляемой мощности в нагрузке. Однако следует заметить, что искажение образуются в области перехода тока через 0, при этом искажения в одной полуволне приводят к компенсационному искажению в другой, поэтому фактическая погрешность измерения потребляемой мощности в счетчике изменяется не столь радикально.
 |  |
 |
Запас по постоянному потоку можно достигнуть также уменьшением напряженности магнитного поля в сердечнике (для того же тока в первичной обмотке) за счет увеличения длины магнитопровода (величина напряженности магнитного потока прямо пропорциональна произведению кол-ва витков на ток и обратно пропорциональна средней длине магнитопровода и выражается формулой H=N1*I1/L). Однако увеличение длины магнитопровода вызывает снижение ЭДС самоиндукции, которая прямо пропорциональна площади сечения магнитопровода и обратно пропорциональна длине магнитопровода. Поэтому увеличение длины должно сопровождаться увеличением площади сечения - для сохранения прежнего значения индуктивности. Как известно, чем выше индуктивность вторичной обмотки, тем ниже скорость изменения тока и тем ниже наводимая ЭДС в первичной обмотке. Кроме того, большая индуктивность совместно с сопротивлением вторичной обмотки работает как НЧ фильтр в измерительной цепи (причем не вносящий фазовые искажения!) и, кроме того, снижает воздействие АЦП измерителя на измерительную цепь. В связи с этим требования к RC цепи в измерительном канале снижаются (его можно не ставить вовсе!), а, следовательно снижается фазовый сдвиг, вносимый этим фильтром между каналами измерения тока и напряжения.
Расчет измерительной цепи для конкретного трансформатора тока относительно несложен. Как было сказано выше, во вторичной обмотке трансформатора тока нагруженной на резистор Rb, протекает ток, трансформируемый из первичной обмотки и обусловленный явлением электромагнитной индукции. Активное сопротивление цепи вторичной обмотки равно Rb + R2 , где R2 - собственное сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока, а Rb - сопротивление нагрузочного резистора. Ток вторичной обмотки I2 ~ I1/N, где N - коэффициент трансформации (обычно 1000...3000).
Выходное напряжение датчика тока, определяемое падением напряжения на Rb:
U2=I2*Rb=I1*Rb/N. Эквивалентное напряжение на входе трансформатора U1=U2/N=I1*Rb/N^2
Таким образом, напряжение на первичной обмотке трансформатора тока пропорционально I1*Rb/N^2. т.е. в N^2 раз меньше, чем для шунта при одном и том же выходном напряжении для измерения. Поэтому влияние трансформаторного датчика тока на контролируемую цепь меньше чем в случае применения шунта. Например для трансформатора тока с N = 3000; U2 = 20мВ, I1 = 50 А (см. расчет для шунта выше по тексту) рассчитаем эквивалентное входное активное сопротивление. I2=50/3000=0.01667A. Rb=20мВ/16.67мА=1.2 Ом. Входное сопротивление идеального трансформатора равно Rb/N^2 = 1,2/3000^2=0,1333мкОм. Однако, с учетом собственного активного сопротивления вторичной обмотки (для трансформатора на магнитопроводе ОЛ25х15х10 примерно 400 Ом), эквивалентное активное входное сопротивление равно (Rb+R2)/N^2 = (1,2+400)/3000^2=44,6мкОм (сравните с 400 мкОм на шунте!). Оценивая величину Rb, можно увидеть, что оно ничтожно по сравнению с внутренним сопротивлением обмотки трансформатора. Таким образом можно увеличивать Rb для получения больших напряжений для последующего измерения, а следовательно повысить точность при замере малых токов, снизить влияние электрических шумов на измеряемую цепь и при этом практически не вносить дополнительных потерь в измеряемую цепь.
Дифференцирующий трансформатор тока
 |
Для того что бы получить приемлемый для измерения сигнал, дифференцирующий трансформатор используют в режиме контура ударного возбуждения (а не в режиме трансформатора тока), при котором ЭДС на выходе пропорциональна dI/dt, для этого нагрузочный резистор Rb имеет достаточно большую величину. В этом режиме выходной сигнал с трансформатора не повторяет форму входного тока, но трансформатор имеет высокую чувствительность к изменению тока. Для того, чтобы не было искажений выходного сигнала применяют интегрирующую цепь (в ADE7753/59 для однофазной или ADE7758 для трёхфазной цепи она встроенная). В этом случае, обмотка трансформатора (L2 и R2), R и C интегратора образуют колебательный контур с затуханием и последовательно включенной ЭДС самоиндукции. В общем виде напряжение на конденсаторе: U=L2*I1/((R2+R)*C*N). Постоянную времени (R+R2)*C, (L2*C)^0.5 необходимо выбрать значительно превосходящую постоянную времени изменения входного тока.
 |
Измерение – процесс определения значений переменной, выраженных соответствующей физической величиной. Переменными процесса сварки являются: электрические параметры (напряжение дуги, ток сварки, мощность дуги, электрическое сопротивление дуги, …), скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки, температура в заданной точке основного металла, и др. Могут определяться средние значения параметров или их эффективные значения, а также пиковые значения параметра, его частотные характеристики и т.п.
Контроль – сравнение измеряемого значения искомого параметра сварки с заданными пределами (верхним и нижним).
Измерение основных параметров сварки
Из всех параметров режима сварки только напряжение дуги не требует использования специальных датчиков и может быть определено прямым измерением с использованием вольтметра. Для того, чтобы измерить скорость подачи электродной проволоки, ток сварки, температуру основного металла, расход защитного газа и т.п. требуется применение соответствующих датчиков.
Измерение тока сварки
Имеется большое разнообразие датчиков тока: трансформаторы тока, токовые шунты и датчики тока на основе преобразователей Холла.
– это измерительный трансформатор, ток во вторичной обмотке которого пропорционален току в первичной обмотке. Этим измерительным прибором можно измерять значения только переменного тока.
Первичная обмотка трансформатора тока включается в электрическую цепь последовательно с потребителем, ток которого необходимо определить. К выводам вторичной обмотки подключается амперметр с диапазоном измерения тока 1 – 5 ампер (таким образом, трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания).
Внешний вид некоторых типов трансформаторов тока
Трансформаторы тока выпускаются на разные диапазоны измерения тока (0 – 300 А, 0 – 600 А и т.д.). Причем диапазон тока во вторичной обмотке сохраняется постоянным: 1 – 5 ампер.
При измерении сварочных токов роль первичной обмотки выполняет сам сварочный кабель, пропущенный в центральное отверстие трансформатора тока. При этом необходимо помнить простое правило: сколько раз сварочный кабель пропущен через центральное отверстие трансформатора тока, во столько раз уменьшается диапазон измерения тока, а также снижается погрешность измерения, что является желательным при измерении малых сварочных токов.
Для удобства пользования, а именно, для подключения трансформатора тока без разрыва сварочной цепи, трансформаторы тока изготавливают в виде измерительных клещей.
Внешний вид трансформатора тока, выполненного в виде измерительных клещей
Токовым шунтом является низкое активное сопротивление, которое устанавливается в разрыв цепи. Значение тока определяется через падение напряжения на шунте, которое он вызывает.
Электрическое сопротивление токовых шунтов подбирается таким образом, чтобы при его номинальном токе (например, 300 или 500 А) на нём падало строго определённое напряжение. Обычно оно составляет 75 мВ, но может быть и другим (например, 45 или 60 мВ). Падение напряжения на шунте измеряется милливольтметром. Для удобства пользования шкала милливольтметров, предназначенных для подключения к токовому шунту, градуируется в амперах, что исключает необходимость пересчета показаний пользователем.
Милливольтметр с диапазоном измерения
Токовый шунт не рекомендуется использовать для измерения переменного тока, так как собственная индуктивность шунта может влиять на скорость изменения тока и искажать форму его кривой. Однако уместно заметить, что такое влияние шунта проявляется только при частотах переменного тока выше 10 кГц. Таким образом, токовый шунт вполне может быть использован в условиях дуговой сварки переменным током при использовании тока промышленной частоты (50 или 60 Гц). Основным недостатком токовых шунтов является необходимость разрыва цепи, в которой измеряется ток.
В настоящее время вместо токовых шунтов всё чаще используются датчики тока на основе преобразователей Холла. Их основным компонентом является полупроводниковый элемент, который реагирует на магнитное поле, создаваемое током в цепи, т.е. током, значение которого требуется определить. Выходным сигналом такого датчика является напряжение, причём довольно высокое (обычно от 1 до 10 В в зависимости от модели датчика).
Датчики Холла по сравнению с токовыми шунтами имеют следующие важные достоинства:
Выходной сигнал датчика Холла примерно в 100 раз выше, чем у токового шунта. Более мощный выходной сигнал датчика Холла менее подвержен влиянию шумов. Поэтому датчик Холла обеспечивает более низкую погрешность измерения.
Датчик Холла относится к измерительным устройствам, которые не оказывают влияние на измеряемый сигнал. В то время как электрическое сопротивление токового шунта, пусть даже и незначительное, влияет на параметры сварочной цепи.
Токовый шунт, будучи включённым непосредственно в разрыв сварочной цепи, находится под напряжением, что требует особого внимания для исключения случайных контактов с другими электрическими цепями. Кроме этого, при одновременном измерении тока сварки и напряжения дуги возможно ошибочное подключение измерительных кабелей таким образом, что произойдёт короткое замыкание сварочного источника питания. Датчик Холла в этом смысле обладает очень важным преимуществом, так как не имеет прямого электрического контакта с компонентами сварочной цепи.
Токовый шунт требует больше затрат времени на установку, так как для этого необходимо разорвать цепь. Датчик Холла, выполненный в виде клещей, устанавливается в считанные секунды.
Внешний вид измерительных клещей, в которых используется датчик Холла и принцип его действия.
Для того, чтобы проведенное сравнение этих двух типов датчиков было полным необходимо также указать, что токовый шунт в 2 – 3 раза дешевле датчика Холла, и значительно более долговечнее и надёжнее последнего.
Измерение напряжения дуги
Определение значения напряжения дуги производится непосредственно вольтметром без применения каких-либо датчиков. Однако и в этом случае необходимо учитывать некоторые особенности измерения этого параметра процесса сварки для того, чтобы выполнить его должным образом. Главная из них заключается в том, что для снижения погрешности измерения напряжения дуги необходимо избегать включения в цепь измерения падений напряжения на сварочных кабелях и на электрических контактах в сварочной цепи. Справедливости ради следует сказать, что падение напряжения на переходном контакте мундштук – проволока не велико и не превышает 0,1…0,2 В при токах сварки 100 … 300 А.
Наиболее часто используемая схема подключения вольтметра при определении напряжения на дуге в условиях сварки МИГ/МАГ
Измерение скорости подачи электродной проволоки
Для измерения скорости подачи электродной проволоки обычно используется два типа тахогенераторов; оптический тахогенератор и тахогенератор электромагнитной системы.
Параметры выходного сигнала тахогенератора первого типа позволяют использовать его с измерительными устройствами с цифровым входом, в то время как тахогенератор второго типа должен подключаться к аналоговому входу измерительного устройства.
При отсутствии соответствующих тахогенераторов скорость подачи электродной проволоки можно измерить при настройке сварочной установки путем замера длины куска проволоки и времени, в течение которого он был подан подающим механизмом.
Внешний вид одного из тахогенераторов для измерения скорости подачи электродной проволоки
Измерение скорости сварки
Скорость сварки, как правило, определяют по длине выполненного сварного шва и времени, затраченного на его выполнение.
Измерение расхода газа
В сварочных установках используют расходомеры газа поплавкового и дроссельного типа.
Регистрирующие устройства
Для измерения параметров сварки и, в первую очередь, для регистрации результатов измерений используются самопишущие приборы измерения различных типов, а также системы на базе персональных компьютеров и другие электронные измерительные системы.
Одна из портативных систем для измерения и регистрации (на бумажном носителе) параметров сварки
Один из типов самопишущих приборов